日趋苛刻的汽车油耗和排放法规带来了新一轮的汽车产业变革,电气化是其中一个重要方向。内燃机无凸轮可变气门技术的应用是促进内燃机电气化的重要一步,它通过实现内燃机换气过程的灵活、快速调节能有效促进内燃机性能潜力的进一步挖掘。由于没有凸轮轴的约束,无凸轮可变气门机构运动过程中的气门正时、升程、时面值以及落座速度等运动参数的精确控制,是保证其工作可靠性和换气过程精确性从而保障发动机性能有效发挥的关键因素。本文以一种新型无凸轮电液驱动可变气门机构为对象,以克服温度和液压力波动影响下目标气门运行参数的快速、精确跟踪为目标,进行了基于模型的无凸轮电液可变气门机构的运动控制研究。首先,对无凸轮电液可变气门机构开展了详细的工作特性研究。介绍了系统的结构和工作原理,并构建了系统试验平台。通过试验数据明确了系统不同时间尺度(循环内和循环间)的动态特性,和不同工作参数(温度和压力)对可变气门运行参数的影响规律,充分揭示了系统的时延、时变、非线性和扰动特性。在此基础上明确了系统的两个控制问题:气门延迟时间随温度变化和液压力波动影响下的气门正时跟踪控制问题,和液压力扰动影响下气门时面值(或响应时间)的非线性控制问题,旨在保障气门正时和时面值的目标跟踪性能和循环一致性。其次,基于上述系统工作特性分析,进行了详细的系统动态建模研究,旨在为仿真研究和面向控制的建模奠定基础。首先按部件对系统的运动、电磁、流动等动态过程进行详细建模,得到了系统时延、时变、非线性的高阶详细模型。其次,为了利于模型在线实现和控制设计,对模型进行简化和不同时间尺度(循环内和循环间)的解耦从而完成了模型降阶,并利用线性变参数建模方法对模型进行了线性化。通过试验数据进行了模型参数标定和基于非线性最小二乘法的多参数优化辨识,并对模型精度进行了试验验证。然后,针对电液可变气门控制中的关键问题:液压油粘度的温度敏感性和油压波动性将造成气门延迟时间和响应时间的时变(随时间变化)和扰动特性,对影响气门正时和响应时间的关键不可测时变参数——(气门动作前)稳态供油压力进行了在线参数估计,将其分别作为后续气门正时控制的前馈补偿信息和气门响应时间控制的状态反馈信息。首先利用循环内动态模型设计了基于离散事件(循环)的在线自适应估计算法,并通过仿真和试验研究对算法稳定性、参数收敛性和估计精度进行了验证;其次,为了克服噪声引起的稳态估计精度和瞬态收敛速度难以兼顾的折衷问题,并对下一循环气门延迟时间进行预测以实现气门正时的干扰前馈补偿,因而在原估计算法的基础上提出了模型引导自适应参数估计算法,通过稳态和瞬态试验充分验证了该算法能够有效克服噪声影响从而兼顾稳态估计精度和瞬态收敛速度,并实现了参数的一步(下一循环)预测。针对气门正时控制问题,结合上述自适应预估的系统稳态供油压力和实测温度,可以间接估计当前循环和预测下一循环的气门延迟时间,并以此作为前馈量进行电磁阀上/断电时刻控制从而控制气门正时。鉴于传统的开环前馈控制和PID闭环控制分别存在的稳态误差和一步延迟等问题,提出了自适应干扰补偿的后退时域最优跟踪控制算法,算法具有参考前馈、状态反馈和干扰前馈相结合的控制构架,并利用后退时域的思想实现了滚动优化控制,能有效解决温度和压力波动造成的气门正时变动,同时克服传统控制方法的缺陷。通过仿真和试验全面验证了目标气门正时的瞬态跟踪性能,转速波动时的干扰补偿能力,以及稳态跟踪时的循环一致性等性能。针对气门时面值控制,将其转化为气门开启响应时间控制问题,进而通过供油系统直流电机的主动调节实现控制。由于该控制问题中存在随不同供油压力下气门开启响应时间的调节裕度非线性,以及发动机转速变化使油压变化从而导致气门响应时间变动这两个问题,传统的开环和闭环控制方法难以有效克服。本文提出了轨迹线性化控制和最优跟踪控制相结合的方法,通过轨迹线性化将系统非线性和干扰因素与线性部分解耦,得到了每一目标轨迹点的前馈最优跟踪控制器,并通过卡尔曼滤波在系统噪声影响下提供了最优的状态反馈以保证有效的控制力度(增益)。通过仿真和试验证明,相比于传统算法,提出算法的控制效果在不同工况下对控制参数不敏感,有利于减少参数标定量,即有效克服了系统非线性;同时,算法还具有油压波动时良好的扰动补偿能力和保持气门响应时间循环一致性的能力。综上所述,按照“系统工作特性分析—动态建模—模型参数辨识—基于模型的时变参数在线估计—基于模型的控制算法设计”这一基本研究路径,并通过数值优化、线性变参数建模、自适应控制、最优控制、轨迹线性化控制等理论方法的应用研究,有效解决了无凸轮电液可变气门机构的精确运动控制问题。